CN108412565A - Co2有机朗肯循环与内燃机燃烧天然气耦合发电系统 - Google Patents

Co2有机朗肯循环与内燃机燃烧天然气耦合发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种CO2有机朗肯循环与内燃机燃烧天然气耦合发电系统，包括CO2有机朗肯循环系统和内燃机燃烧天然气系统，其特征是：所述CO2有机朗肯循环系统通过蒸发器和烟气回热器与内燃机燃烧天然气系统连接，所述蒸发器和烟气换热器与汽轮机、冷凝器、工质泵依次首尾连接，汽轮机与发电机连接，内燃机通过阀门分别与烟气回热器和蒸发器连接构成内燃机余热回收的两系统耦合发电系统。有益效果：用户可以根据需要灵活地自行调节冷/热/电联产，热/电联产及冷/电联产，冷/热联产各项功能。利用回收的天然气燃烧的高温水及气体对有机朗肯循环系统内的循环工质CO2加热并驱动汽轮机带动发电机发电，降低发电成本，实现节能降耗。

Description

CO2有机朗肯循环与内燃机燃烧天然气耦合发电系统
技术领域
本发明属于能源与动力技术领域，尤其涉及一种CO2有机朗肯循环与内燃机燃烧天然气耦合发电系统。
背景技术
天然气分布式能源利用天然气为燃料，通过冷、热、电三联供等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在70％以上，并在负荷中心就近实现现代能源供应方式。目前我国天然气分布式能源发展仍处于起步阶段，由于我国天然气价格较高，导致天然气分布式能源发电成本是普通燃煤电站的2-3倍，竞争力较差。专利文献107131016A公开了一种超临界 CO2与有机朗肯循环联合燃煤火力发电系统，其特征在于，包括超临界CO2布雷顿循环系统和亚临界有机朗肯循环系统；超临界CO2布雷顿循环系统和亚临界有机朗肯循环系统通过预热器和蒸发器相连接；所述超临界CO2布雷顿循环系统以超临界CO2作为循环工质，超临界CO2通过燃煤锅炉吸收高温区热能，通过燃煤锅炉尾部烟道的高温空预器吸收中温区热能，通过燃煤锅炉尾部烟道的低温空预器吸收低温区热能用以加热锅炉送风；所述亚临界有机朗肯循环系统以有机流体为循环工质，有机流体通过预热器吸收超临界CO2布雷顿循环系统中的低温热能，吸热后的有机流体进入锅炉烟道中的蒸发器与烟气换热，有机流体被进一步加热为饱和蒸汽或过热蒸汽。专利文献107448324A公开了一种分布式能源装置及工艺。本发明的过程为：内燃机燃烧天然气发电，高温烟气用于生产热水，内燃机本身也产生高温缸套水，这部分热水利用溴化锂机组生产冷冻水，或者供热水用户使用，从而达到冷热电三联供的目的。专利文献公开号 103161607A公开了一种基于内燃机余热利用的联合发电系统，其特征在于：包括布雷顿循环系统和有机朗肯循环系统，包括：加热器、燃气透平、蒸发器、冷却器、有机工质透平；内燃机废气首先经过加热器，将热量传给布雷顿循环的CO2，形成高温高压CO2蒸气驱动燃气透平发电；内燃机废气经过加热器之后再将热量通过蒸发器传给有机朗肯循环中的有机工质，形成高温高压的有机工质蒸气；燃气透平出来的CO2经过冷却器将热量传给有机朗肯循环中的有机工质，形成高温高压的有机工质蒸气；两股高温高压的有机工质蒸气驱动有机工质透平发电。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中的不足，提供一种CO2有机朗肯循环与内燃机燃烧天然气耦合发电系统，利用回收的天然气燃烧的高温水及气体对有机朗肯循环系统定的循环工质CO2加热并驱动汽轮机带动发电机发电，降低发电成本，实现节能降耗。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现，一种CO2有机朗肯循环与内燃机燃烧天然气耦合发电系统，包括CO2有机朗肯循环系统和内燃机燃烧天然气系统，其特征是：所述CO2有机朗肯循环系统通过蒸发器和烟气回热器与内燃机燃烧天然气系统连接，所述蒸发器和烟气换热器与汽轮机、冷凝器、工质泵依次首尾连接，汽轮机与发电机连接，内燃机通过阀门分别与烟气回热器和蒸发器联接构成内燃机余热回收的CO2有机朗肯循环系统和内燃机燃烧天然气系统耦合发电系统。
所述内燃机燃烧天然气系统的内燃机通过阀门连接有溴化锂制冷机组，内燃机产生的高温烟气余热驱动溴化锂制冷机组生成冷冻水。
所述内燃机与蒸发器连接循环中的回路中连接有膨胀水箱，膨胀水箱通过阀门与冷却水排水管连接；内燃机分别通过缸套水回热器和中间冷却器与用户连接构成用户热水循环回路。
所述内燃机连接有润滑油换热器，润滑油换热器上设有与内燃机内油箱相连的液位传感器和油位调节阀，内燃机内油箱的加油回路上设有调节油压的膨胀水箱。
有益效果：与现有技术相比，本发明应对用户可以根据用户需要灵活地自行调节冷/热/电联产，热/电联产及冷/电联产，冷/热联产各项功能。利用回收的天然气燃烧的高温水及气体对有机朗肯循环系统定的循环工质CO2加热并驱动汽轮机带动发电机发电，降低发电成本，实现节能降耗。
附图说明
图1是本发明的结构连接框图。
图中：1-工质泵，2-蒸发器，3-烟气回热器，4-汽轮机，5-冷凝器，6-发电机，7-内燃机，8-润滑油换热器，9-中间冷却器，10-用户，11-缸套水换热器，12-烟囱，13-消声器，14-溴化锂制冷机组，15-膨胀水箱，16- 膨胀水箱，17-液位传感器，18-阀门，19-油调节阀；a-b-c---i、阀门。
具体实施方式
以下结合较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式详述如下：
详见附图1，本实施例公开了一种CO2有机朗肯循环与内燃机燃烧天然气耦合发电系统，包括CO2有机朗肯循环系统和内燃机燃烧天然气系统，所述CO2有机朗肯循环系统通过蒸发器2和烟气回热器3与内燃机燃烧天然气系统连接，所述蒸发器和烟气换热器与汽轮机4、冷凝器5、工质泵1依次首尾连接，汽轮机与发电机6连接，内燃机通过阀门18分别与烟气回热器和蒸发器联接构成内燃机余热回收的CO2有机朗肯循环系统和内燃机燃烧天然气系统耦合发电系统。
本实施例的优选方案是，所述内燃机燃烧天然气系统的内燃机通过阀门连接有溴化锂制冷机组14，内燃机产生的高温烟气余热驱动溴化锂制冷机组生成冷冻水。
本实施例的优选方案是，所述溴化锂制冷机组以及烟气换热器依次连接有消声器13和烟囱12，溴化锂制冷机组以及烟气换热器产生的烟气汇合通过消声器进入烟囱后排空。
本实施例的优选方案是，述内燃机与蒸发器连接循环中的回路中连接有膨胀水箱16，膨胀水箱通过阀门与冷却水排水管连接；内燃机分别通过缸套水回热器和中间冷却器与用户连接构成用户热水循环回路。
本实施例的优选方案是，所述内燃机连接有润滑油换热器8，润滑油换热器上设有与内燃机内油箱相连的液位传感器17和油位调节阀19，内燃机内油箱的加油回路上设有调节油压的膨胀水箱15。
工作过程
详见附图1，构成的内燃机余热回收的两系统耦合发电系统，液体CO2 经过工质泵送入到蒸发器2中，吸收高温缸套水的热量蒸发，变为气体，然后通过烟气换热器与高温烟气进行热量交换，变为高温气体，驱动汽轮机带动发电机发电，来自汽轮机的工质在冷凝器5中冷凝，重新由工质泵送入到蒸发器2中，至此完成一个循环。在天然气分布式子系统中，就高温烟气支路而言，内燃机7通过阀门i连接制冷机组或直接与烟气回热器 3相联接，来自制冷机组的烟气与回热器的烟气汇合通过消声器13排入到烟囱12中。阀门i可以关闭，使得全部烟气通过烟气回热器，用于生产高品位电能。
来自内燃机7的高温缸套水一部分通过蒸发器2重新回到内燃机7，在此回路上布置膨胀水箱，内含30％的乙二醇。通过阀门e和阀门f连接冷却水排水管。另一部分缸套水经过缸套水回热器11供给热水用户，然后回到内燃机中，循环利用。
内燃机7连接润滑油换热器8，液位传感器17与内燃机内油箱相连，监控油位同时连接油位调节阀19，控制加油量，油管与润滑油出口相连。在加油回路上设置了膨胀水箱15，调节油压。
内燃机产生的热水通过中间冷却器9供给热水用户，来自中冷器的冷却水一部分重新回到内燃机中，另一部分进入润滑油换热器8吸收润滑油的热量，然后回到中冷器9中释放热量供给用户。在此回路中布置冷却水排水管，通过阀门b和阀门c连接，与布置在缸套水回路上的冷却水汇合一同经过阀门h排出管外。
使用燃气马达时伴随着燃烧会产生大量的水分，因此在排气管的最佳位置设置排水管，并且在排气管的位置设置软管，以吸收排气管的热膨胀。如图中1，一段软管与内燃机相连，然后经过阀门a设置管道排出水分。
其循环过程为；工质泵1推动CO2进入蒸发器2，再次进入烟气回热器 3升温处于超临界状态。超临界状态的CO2在汽轮机4中做功进而驱动发电机6发电，汽轮机4中的低压CO2经过冷凝器5冷凝，由工质泵1送到蒸发器中，至此完成一个循环。
设计原理
CO2有机朗肯循环系统以CO2作为工质，利用CO2化学性质稳定及密度高等优点，有效提高发电效率，并大幅度减小机组尺寸。该系统第一次通过蒸发器利用内燃机燃烧天然气所产生的85摄氏度左右的高温缸套水的余热作为热源，第二次利用高温烟气的余热给CO2工质加热。尽可能多的利用CO2有机朗肯循环把低品位的余热转换为高品位的电能，提高能源的梯级利用效率。
内燃机余热回收的CO2有机朗肯循环系统和内燃机燃烧天然气系统耦合发电系统定位在热能驱动的中、高温区，CO2有机朗肯循环系统的CO2工质在蒸发器内吸收内燃机燃烧天然气所产生的中温区缸套水余热，然后经过烟气回热器吸收内燃机燃烧天然气所产生的高温烟气的余热使CO2再次升温处于超临界状态。
在CO2有机朗肯循环系统中，以CO2作为循环工质，CO2流体在工质泵1的驱动下进入蒸发器2吸收高温缸套水(85℃±5℃)的热量变为低温CO2气体，通过烟气回热器3吸收高温烟气的热量变为高温CO2气体，进而进入汽轮机4驱动汽轮机带动发电机6发电。气体进入冷凝器5冷凝，再次通过工质泵1送入到蒸发器2中，至此完成一个循环。在此循环中回收了高温缸套水及高温烟气的热量，生产高品位的电能。
天然气分布式能源系统包括内燃机7，发电机6，蒸发器2，烟气回热器3，消声器13，烟囱12，溴化锂制冷机组14，缸套水换热器11，润滑油换热器8，换热器9，膨胀水箱15-16，和阀门系列18。
内燃机燃烧天然气，产生高温烟气，高温烟气的余热可以作为溴化锂制冷机组14的热源，或者可以全部用于通过烟气回热器3加热CO2气体生产高品位的电能。具体情况的使用可以根据用户负荷的需求而定。内燃机燃烧天然气产生的高温缸套水，分为两个用途，一部分缸套水作为蒸发器2的热源，该支路上设置了含有30％乙二醇的膨胀水箱16，用于平衡管道压力，及防止管道在冬季结冰堵塞。另一部分缸套水通过缸套水换热器供给热水用户。内燃机中的高温润滑油通过润滑油换热器8供给热水用户。内燃机产生的热水可以通过中间冷却器9供给热水用户。
本发明系统设计了液位传感器17，油调节阀19，及膨胀水箱15，此回路的作用是便于给内燃机补充润滑油，避免加油的困难，及内燃机的损坏。使用燃气马达时伴随着燃烧会产生大量的水分，因此在排气管的最佳位置设置排水管，并且在排气管的位置设置软管，以吸收排气管的热膨胀。同时连接阀门b,阀门c,阀门e,阀门f,阀门h,设置冷却水排水管道，排出管道内的水，也可以清洗管道，便于维修。
上述参照实施例对该一种CO2有机朗肯循环与内燃机燃烧天然气耦合发电系统进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种CO2有机朗肯循环与内燃机燃烧天然气耦合发电系统，包括CO2有机朗肯循环系统和内燃机燃烧天然气系统，其特征是：所述CO2有机朗肯循环系统通过蒸发器和烟气回热器与内燃机燃烧天然气系统连接，所述蒸发器和烟气换热器与汽轮机、冷凝器、工质泵依次首尾连接，汽轮机与发电机连接，内燃机通过阀门分别与烟气回热器和蒸发器联接构成内燃机余热回收的CO2有机朗肯循环系统和内燃机燃烧天然气系统耦合发电系统。
2.根据权利要求1所述的CO2有机朗肯循环与内燃机燃烧天然气耦合发电系统，其特征是：所述内燃机燃烧天然气系统的内燃机通过阀门连接有溴化锂制冷机组，内燃机产生的高温烟气余热驱动溴化锂制冷机组生成冷冻水。
3.根据权利要求1所述的CO2有机朗肯循环与内燃机燃烧天然气耦合发电系统，其特征是：所述内燃机与蒸发器连接的循环回路中连接有膨胀水箱，膨胀水箱通过阀门与冷却水排水管连接；内燃机分别通过缸套水回热器和中间冷却器与用户连接构成用户热水循环回路。
4.根据权利要求1所述的CO2有机朗肯循环与内燃机燃烧天然气耦合发电系统，其特征是：所述内燃机连接有润滑油换热器，润滑油换热器上设有与内燃机内油箱相连的液位传感器和油位调节阀，内燃机内油箱的加油回路上设有调节油压的膨胀水箱。
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